Trimiterea muncii tale bune la baza de cunoștințe este ușoară. Utilizați formularul de mai jos
Elevii, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și activitatea lor vor fi foarte recunoscători.
Ministerul Educației și Științei al Republicii Kârgâzstan
Universitatea Tehnică de Stat din Kirghiz. I. Razzakova
Departamentul: Surse regenerabile de energie
Prin disciplină: Materiale electrotehnice
Pe tema: pierderi dielectrice
Toate substanțele cu proprietăți electrice sunt divizate în mod convențional în trei grupe - conductoare, dielectrice și semiconductori. Dielectricii diferă de alte substanțe prin legături puternice ale încărcăturilor electrice pozitive și negative care compun compoziția lor. Ca o consecință, electronii și ionii nu se pot mișca liber sub influența diferenței de potențial aplicată. Spre deosebire de dielectricii din conductorii de curent electric, încărcăturile electrice nu au astfel de legături, prin urmare, în conductorii electronii se pot mișca liber, creând fenomenul de curent electric. În practică, în dielectrici, din mai multe motive, există întotdeauna un număr de sarcini slabe legate, capabile să se deplaseze în interiorul materiei pe distanțe mari. Cu alte cuvinte, dielectricii nu sunt neconductori absoluți ai curentului electric. Cu toate acestea, în condiții normale, există foarte puține astfel de încărcări în dielectric, iar curentul electric provocat de acestea, numit curentul de scurgere, este mic. Conductivitatea dielectricilor de conductivitate. De obicei, dielectricii sunt substanțe cu o conductivitate specifică de nu mai mult de 10-7 - 10-8 S / m, conductoare - având o conductivitate mai mare de 107 S / m. Dielectricii includ toate gazele (inclusiv vaporii de metal), multe lichide, substanțe cristaline, sticloase, ceramice, polimerice. Deoarece proprietățile unei substanțe depind puternic de starea ei agregată, fenomenele fizice în dielectrici gazoși, lichizi și solizi sunt considerați de obicei separat.
pierderea dielectrică este cvasi-morfică
1. Concepte și definiții de bază
Pierderile dielectrice sunt puterea electrică consumată la încălzirea unui dielectric într-un câmp electric.
Pierderile de energie din dielectric se observă atât cu tensiune alternativă, cât și constantă, deoarece în materialele tehnice se detectează un curent de scurgere datorat conductivității electrice. Cu tensiune constantă, atunci când nu există polarizare periodică, calitatea materialului se caracterizează prin valorile volumului specific și a rezistențelor de suprafață care determină valoarea (figura 1).
Atunci când o tensiune alternativă este aplicată unui dielectric, se pot manifesta alte mecanisme de transformare a energiei electrice în electricitate termică, în plus față de conductivitatea intermediară. Prin urmare, calitatea materialului nu este suficientă pentru a caracteriza numai rezistența izolației.
În practica de inginerie, unghiul pierderilor dielectrice, precum și tangenta acestui unghi, sunt cel mai adesea folosite pentru a caracteriza capacitatea unui dielectric de a disipa energia într-un câmp electric.
Unghiul pierderilor dielectrice este unghiul care completează unghiul de fază dintre curent și tensiunea din circuitul capacitiv.
În cazul unui dielectric ideal, vectorul curent într-un astfel de lanț depășește vectorul de tensiune cu un unghi; unghiul este zero. Cu cât mai multă putere este disipată în dielectric, cu atât este mai mic unghiul de deplasare a fazei și cu atât este mai mare unghiul pierderii dielectrice și valoarea funcției.
Tangenta unghiului de pierdere dielectric intră direct în formula pentru puterea disipată în dielectric și, prin urmare, această caracteristică este utilizată cel mai adesea.
Luați în considerare un circuit echivalent cu un condensator cu un dielectric lossy. Acest sistem ar trebui să fie aleasă astfel încât puterea activă disipată în circuit este egală cu puterea disipată în dielectric de condensator, iar curentul va fi deplasat în raport cu tensiunea la același unghi ca și în acest condensator.
Problema poate fi rezolvată prin înlocuirea condensatorului cu pierderi de către un condensator ideal cu un rezistor paralel activ (circuit paralel) sau un condensator cu rezistență conectată în serie (un circuit serializat). Astfel de circuite echivalente, desigur, nu explică mecanismul pierderilor dielectrice și sunt introduse doar condiționat.
Circuitele echivalente paralele și secvențiale sunt prezentate în Fig. De asemenea, sunt prezentate schemele corespunzătoare de curenți și tensiuni. Ambele scheme sunt echivalente între ele dacă, atunci când impedanțele totale sunt egale, componentele lor active și reactive sunt, respectiv, egale. Această condiție va fi îndeplinită dacă unghiurile de forfecare curentă în raport cu tensiunea sunt egale și valorile puterii active sunt aceleași.
Fig.1 Circuitele dielectrice pierdute echivalente paralele (a) și secvențiale (b) echivalente și diagrame vectoriale pentru ele
Pentru o schemă paralelă de la o diagramă vectorială
Pentru un circuit serial:
Ecuating expresiile (2.2) și (2.4), precum și (2.1) și (2.3), găsim relațiile dintre și între:
Pentru dielectrice benigne, putem neglija valoarea
cu unitatea în formula (5) și să presupunem.Exercițiile pentru puterea disipată în dielectric în acest caz, va fi, de asemenea, același pentru ambele circuite:
Trebuie remarcat faptul că pentru o tensiune alternativă, spre deosebire de o constantă, capacitatea dielectrică cu pierderi mari devine condiționată și depinde de alegerea unui circuit echivalent. Prin urmare, constanta dielectrică a materialului cu pierderi mari la tensiunea alternativă este de asemenea condiționată.
Pentru majoritatea dielectricilor, parametrii circuitului echivalent depind de frecvență. Prin urmare, prin determinarea prin anumite metode a capacității și a rezistenței echivalente pentru un anumit condensator la o anumită frecvență, acești parametri nu pot fi utilizați pentru a calcula unghiul de pierdere la alte frecvențe. Un astfel de calcul este valabil numai în cazuri individuale, atunci când un sistem echivalent are o anumită justificare fizică. Astfel, în cazul în care se știe că pierderile în acestea sunt definite doar prin pierderea conductibilitate într-o gamă largă de frecvențe, unghiul pierdere a condensatorului cu o astfel dielectric poate fi calculată pentru orice frecvență situată în intervalul de la formula (1) pentru un anumit dielectric. Pierderile unui astfel de condensator sunt determinate de expresia:
Dacă pierderea în condensatorul principal datorită rezistenței plumbului și firele de legătură și rezistența electrozilor înșiși (electrozi), de exemplu, un strat subțire de argint în mică sau condensator ceramic, puterea disipată în ea crește cu frecvență proporțională cu pătratul frecvenței:
Din expresia (7) poate fi foarte importante condensatorii concluzii practice concepute pentru funcționare la înaltă frecvență trebuie să fie posibil ca electrozii cu rezistență redusă și firele de legătură și contactele de tranziție.
În cele mai multe cazuri, mecanismul de pierdere din condensator este complex și nu poate fi redus doar la pierderile datorate conductivității sau pierderilor în contact. Prin urmare, parametrii condensatorului trebuie să fie determinați la frecvența la care acesta va fi utilizat.
Pierderile dielectrice pe unitatea de volum a dielectricului se numesc pierderi specifice. Ele pot fi calculate prin formula:
unde este volumul dielectric dintre electrozii plane. intensitatea câmpului electric ,.
2. Tipuri de pierderi dielectrice în materialele electroizolante
Pierderile pierdute prin caracteristicile și natura fizică pot fi împărțite în patru tipuri principale:
1) pierderile dielectrice datorate polarizării;
2) pierderile dielectrice datorate conductivității;
3) pierderile dielectrice de ionizare;
4) pierderile dielectrice datorate eterogenității structurii.
3. Pierderile dielectrice în gaze
Pierderile dielectrice în gaze la intensitățile câmpului care sunt sub valoarea necesară pentru dezvoltarea ionizării cu impact a moleculelor de gaz sunt foarte mici. În acest caz, gazul poate fi considerat ca un dielectric ideal.
Sursa pierderilor dielectrice ale gazului poate fi în principiu numai conductivitatea electrică, deoarece orientarea moleculelor dipol ale gazelor la polarizarea lor nu este însoțită de pierderi dielectrice. După cum se știe, toate gazele au conductivitate foarte scăzută și, prin urmare, unghiul de pierdere dielectric este neglijabil, în special la frecvențe înalte. Valoarea poate fi calculată prin formula:
Rezistența volumetrică specifică a gazelor este de ordinul a. (în absența ionizării) este mai mică.
La tensiuni înalte și cel mai adesea într-un câmp neomogen, când forța în anumite locuri depășește o anumită valoare critică, moleculele de gaz sunt ionizate, ca rezultat al pierderilor de ionizare în gaz.
Pierderile prin ionizare reprezintă un mecanism suplimentar al pierderilor dielectrice pentru un dielectric solid care conține incluziuni de gaze. Ionizarea gazului în astfel de incluziuni este deosebit de intensă la frecvențele radio. În Fig. 2 prezintă efectul incluziunilor de gaz asupra naturii schimbării cu creșterea tensiunii. Odată cu creșterea tensiunii de sus. Acesta este în creștere. Când. Când gazul din incluziuni este deja ionizat, este nevoie de mai puțină energie pentru dezvoltarea ulterioară a procesului și scade.
Fig. 2 Modificați în funcție de tensiune pentru izolație solidă cu incluziuni de gaz
Curba este numită adesea curba de ionizare. La frecvențe înalte, ionizarea și pierderile de gaze cresc atât de mult încât acest fenomen poate duce la încălzirea și distrugerea produselor cu izolație de gaz dacă tensiunea depășește valoarea de ionizare.
Debutul ionizării gazului de umplere a porilor în izolație solidă conduce adesea la distrugerea acestuia. ionizarea aerului este însoțită de formarea de oxizi de ozon și azot, care, în unele cazuri, provoacă o cădere chimică a izolației organice care conține incluziuni de gaze, în altele - reacție în lanț de oxidare inițiate prin bombardarea particulelor de material încărcat.
4. Pierderile dielectrice în dielectric lichid
Dacă lichidul nepolar nu conține impurități cu molecule dipol, atunci pierderile din ele se datorează numai conductivității electrice. Conductivitatea lichidelor neutre și frecvente este foarte mică și, prin urmare, pierderile dielectrice sunt mici. Un exemplu este uleiul de condensator de ulei, care a fost bine purificat din impurități, care este foarte mic.
Lichidele polar, în funcție de condiții (temperatură, frecvență), pot avea pierderi semnificative asociate cu polarizarea dipol-relaxare, pe lângă pierderile la conductivitatea electrică. Conductibilitatea specifică a acestor lichide la temperatura camerei este.
Pierderile de dipol-relaxare observate în lichide vâscoase sub tensiune alternativă, în special la frecvențe înalte, depășesc cu mult pierderile la conductivitatea electrică.
Pierderile prin dipol-relaxare în lichide cu vâscozitate scăzută la frecvențe joase sunt nesemnificative și pot fi mai mici decât pierderile la conductivitatea electrică. La frecvențele radio, pierderile prin dipol-relaxare, chiar și într-un lichid cu viscozitate scăzută, sunt mari și depășesc pierderile pentru conductivitatea electrică. Din acest motiv, lichidele polare nu pot fi utilizate la o frecvență înaltă.
5. Pierderile dielectrice în dielectrice solide
Pierderile dielectrice în dielectrice solide depind de structura materialelor. Diferitele solide au compoziție și structură diferite; în ele sunt posibile toate tipurile de pierderi dielectrice.
Pierderile dielectrice în substanțe cu o structură moleculară în funcție de tipul de molecule
Dielectricii având o structură moleculară cu molecule nepolare și care nu conțin impurități au pierderi dielectrice neglijabile. Astfel de dielectrici includ sulf, cerezină, polimeri nepolari. - Polietilena, politetrafluoretilenă, polistiren etc. Aceste substanțe datorită pierderilor reduse a acestora este utilizat ca un dielectric de frecvență înaltă.
dielectrici solide care constau din molecule polare sunt, în principal substanțe organice utilizate pe scară largă în domeniu: polimeri polari - compuși epoxi, silicon și rășini fenol-formaldehidice, poliamide (nailon), tereftalat de polietilenă (poliester), Ghetinax etc Toate acestea prin intermediul. polarizarea inerentă a dipol-relaxare are pierderi mari, în special la frecvențele radio.
Pierderile dielectrice în substanțe cu structură ionică în funcție de caracteristicile de ambalare a ionilor în rețea
În substanțele cu structură de cristal și împachetarea densă a ionilor în absența impurităților care distorsionează grâul, pierderile dielectrice sunt foarte mici. La temperaturi ridicate, aceste materiale prezintă pierderi de conductivitate electrică. Substanțelor de acest tip sunt numeroși compuși anorganici cristalini, care au o importanță deosebită în producția modernă de ceramică electrică, de exemplu corundul care face parte din ultrafarfor. Un exemplu de compuși de acest fel este și sarea de rocă, cristalele pure ale căror pierderi sunt neglijabile; Cele mai mici impurități care distorsionează zăbrelele cresc brusc pierderile dielectrice.
Dielectricii având o structură cristalină cu o densitate densă de ioni includ un număr de materiale cristaline caracterizate prin polarizare de relaxare, care determină pierderi dielectrice crescute. Multe dintre ele fac parte din masele ceramice, porțelan izolant, ceramică refractară etc.
Pierderile dielectrice în substanțele cvasimorfe cu structură ionică - pahare anorganice - diferă în funcție de anumite caracteristici. În ochelari, ionii slab legați sunt responsabili pentru relaxare, făcând sări de la o celulă a rețelei spațiale la alta. Barierele potențiale care limitează mișcarea ionilor liberi legați nu sunt aceiași datorită neomogenităților locale din structura geamului. Prin urmare, pierderile de relaxare în pahare determinate de o gamă largă de timpilor de relaxare, ceea ce duce la extinderea și netezirea unor vârfuri în dependența de temperatură și frecvența pierderii tangenta dielectrice (Fig. 3).
Fig. 3 Dependența de frecvență și temperatură a tangentei pierderii dielectrice pentru sticlă anorganică: 1 - pierderi la conductivitatea electrică; 2 - pierderi de relaxare; 3 - pierderi totale
Cu cât este mai mare timpul de relaxare, cu atât valoarea maximă a relaxării este mai mică, deoarece numărul relaxatorilor de fiecare tip scade. Maximele netezite ale pierderilor de relaxare pot fi mascate în mare măsură de pierderile datorate conductivității electrice și nu se manifestă într-o formă explicită.
La frecvențe foarte înalte care se apropie de frecvențele oscilațiilor naturale ale ionilor, pierderile de rezonanță sunt, de asemenea, posibile în ochelari.
Găzduit pe Allbest.ru
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: